JP2011233565A - Optical coupling device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Tetsuji Matsuo
哲二 松尾
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  • Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase use efficiency of light emission with respect to an optical coupling device constituted in the form of one chip.SOLUTION: In a light receiving element region B1, a light receiving element 10 is formed, and a light emitting element 20 is formed on one principal surface of an Si substrate (semiconductor substrate) 11 in a light emitting element region B2. An insulating substrate 40 is bonded to the other principal surface of the Si substrate 11 with an insulating adhesive 41. Further, the light receiving element 10 and light emitting element 20 are electrically isolated from each other by a groove 50 formed in the Si substrate 11. The light receiving element 10 is a phototransistor comprising a collector region (Si substrate 11), a base region 12, and an emitter region 13. The light emitting element 20 comprises an n-type GaN layer 21, an MQW layer 22, and a p-type GaN layer 23. A light receiving surface of the light receiving element 10 is formed in the Si substrate 11, and a light emitting surface of the light emitting element 20 is formed in a semiconductor layer formed on the Si substrate 11, so that the light receiving surface and light emitting surface are different in height.

Description

本発明は、同一基板上に形成された発光素子と受光素子とで構成される光結合装置の構造及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a structure of an optical coupling device including a light emitting element and a light receiving element formed on the same substrate, and a method for manufacturing the same.

光結合装置(フォトカプラ)は、電気的に絶縁された系において信号を光を用いて伝達するために用いられ、光信号を発する発光素子と、この光信号を受光する受光素子とで構成される。ここで、通常は受光素子としてはシリコン(Si)で構成されたフォトトランジスタが用いられる。一方、Siで発光素子を構成することは困難であるため、III−V族化合物半導体で構成されたpn接合からなる発光ダイオードが発光素子として用いられる。このため、別々に製造されたこれらの2つの素子(チップ)を同一パッケージ内に封入した形態の光結合装置が広く使用されている。なお、発光素子と受光素子とは光信号で結合されるが、電気的には絶縁される。   An optical coupling device (photocoupler) is used to transmit a signal using light in an electrically isolated system, and includes a light emitting element that emits an optical signal and a light receiving element that receives the optical signal. The Here, normally, a phototransistor made of silicon (Si) is used as the light receiving element. On the other hand, since it is difficult to form a light emitting element with Si, a light emitting diode composed of a pn junction made of a III-V group compound semiconductor is used as the light emitting element. For this reason, an optical coupling device in which these two elements (chips) manufactured separately are enclosed in the same package is widely used. Note that the light emitting element and the light receiving element are coupled by an optical signal, but are electrically insulated.

こうした光結合装置全体を小型化、低価格化するためには、発光素子と受光素子とを1チップ化する、すなわち、これらを別々に製造するのではなく、同一の基板上にこれらを製造することが有効である。この構成の一例が、特許文献1に記載されている。この構成においては、半導体基板中に凹部を形成し、その中に半導体層をエピタキシャル成長させる。この半導体層における左右の領域にそれぞれ発光素子と受光素子を形成し、これらの間を溝で分離し、この溝を透光性樹脂材料で埋め込む。これによって、形成された発光素子と受光素子とは溝によって電気的に分離され、発光素子による発光光は溝(透光性樹脂材料)を通って受光素子に到達する。   In order to reduce the size and cost of the optical coupling device as a whole, the light emitting element and the light receiving element are made into one chip, that is, they are not manufactured separately but manufactured on the same substrate. It is effective. An example of this configuration is described in Patent Document 1. In this configuration, a recess is formed in a semiconductor substrate, and a semiconductor layer is epitaxially grown therein. A light emitting element and a light receiving element are formed in the left and right regions of the semiconductor layer, respectively, separated by a groove, and the groove is filled with a translucent resin material. Thus, the formed light emitting element and light receiving element are electrically separated by the groove, and light emitted by the light emitting element reaches the light receiving element through the groove (translucent resin material).

同様の構成は、特許文献2にも記載されている。この構成においては、Si基板上にエピタキシャル成長させた半導体層に発光素子と受光素子を形成し、Si基板を絶縁基板上に貼り付ける。その後、発光素子と受光素子との間においてSi基板を貫通する溝を形成し、この溝を透光性樹脂で埋め込む。これによって、特許文献1と同様に、受光素子が発光素子からの光を受光でき、かつ溝によって発光素子と受光素子が電気的に分離された構成が実現できる。   A similar configuration is also described in Patent Document 2. In this configuration, a light emitting element and a light receiving element are formed on a semiconductor layer epitaxially grown on a Si substrate, and the Si substrate is attached to an insulating substrate. Thereafter, a groove penetrating the Si substrate is formed between the light emitting element and the light receiving element, and the groove is filled with a translucent resin. As a result, similarly to Patent Document 1, it is possible to realize a configuration in which the light receiving element can receive light from the light emitting element and the light emitting element and the light receiving element are electrically separated by the groove.

こうした構成を用いて、1チップ化された光結合装置を得ることができる。   By using such a configuration, a one-chip optical coupling device can be obtained.

特開平6−5906号公報JP-A-6-5906 特開2006−351859号公報JP 2006-351859 A

上記のいずれの製造方法においても、発光素子と受光素子とは、半導体基板上にエピタキシャル成長によって形成された同一の半導体層で形成されるため、発光素子と受光素子とは半導体基板上のほぼ同じ高さに形成される。   In any of the above manufacturing methods, the light emitting element and the light receiving element are formed of the same semiconductor layer formed by epitaxial growth on the semiconductor substrate. Formed.

ここで、発光素子における発光箇所は、pn接合界面付近に限定され、その光はこの界面に垂直な方向において強く発せられ、この界面と平行な方向では弱くなる。すなわち、このpn接合界面を発光面と考えることができる。ここで、発光素子と受光素子とがほぼ同一の高さに形成された場合、この発光面からみて受光素子は発光光の強度が弱くなる方向に位置する。従って、発光面から受光素子にこの発光光が達する割合は低くなり、光結合装置における発光光の利用効率は低くなる。あるいは、発光強度が弱い場合には、この発光を受光素子が検知することができない。   Here, the light emitting part in the light emitting element is limited to the vicinity of the pn junction interface, and the light is emitted strongly in the direction perpendicular to the interface, and weakened in the direction parallel to the interface. That is, this pn junction interface can be considered as a light emitting surface. Here, when the light-emitting element and the light-receiving element are formed at substantially the same height, the light-receiving element is positioned in a direction in which the intensity of the emitted light decreases as viewed from the light-emitting surface. Therefore, the rate at which the emitted light reaches the light receiving element from the light emitting surface is reduced, and the utilization efficiency of the emitted light in the optical coupling device is reduced. Alternatively, when the emission intensity is weak, the light receiving element cannot detect this emission.

このように、1チップ化された光結合装置において、発光光の利用効率を高くすることは困難であった。   As described above, it is difficult to increase the utilization efficiency of the emitted light in the one-chip optical coupling device.

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an invention that solves the above problems.

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の光結合装置は、電気的に絶縁された受光素子と発光素子とがそれぞれ半導体基板における受光素子領域と発光素子領域において形成された光結合装置であって、前記受光素子領域において、前記半導体基板中の拡散層によって形成された受光素子と、前記半導体基板の一方の主面上の前記受光素子領域と異なる前記発光素子領域において、前記半導体基板の一方の主面上に形成された半導体層によって形成された発光素子と、前記半導体基板の他方の主面に接合された絶縁性基板と、前記発光素子と前記受光素子との間において、前記一方の主面側から前記他方の主面側まで前記半導体基板を貫通する溝と、を具備することを特徴とする。
本発明の光結合装置は、前記発光素子上に第1の反射層が形成されたことを特徴とする。
本発明の光結合装置において、前記半導体基板は導電性シリコン単結晶であり、前記受光素子は、前記半導体基板と逆の導電型をもち前記半導体基板中に形成されたベース拡散層と、前記半導体基板と同じ導電型をもち前記ベース拡散層中に形成されたエミッタ拡散層と、を具備し、前記半導体基板をコレクタ拡散層として動作することを特徴とする。
本発明の光結合装置において、前記半導体層は、N、As、P又はOの少なくとも一つを構成元素として含みその禁制帯幅が前記半導体基板よりも大きな化合物半導体材料で構成され、当該化合物半導体材料からなるn型半導体層とp型半導体層とを含むことを特徴とする。
本発明の光結合装置は、前記溝に絶縁性材料が充填されたことを特徴とする。
本発明の光結合装置は、透光性絶縁材料からなり前記半導体基板の一方の主面上において前記発光素子と前記受光素子とを覆う導光層を具備することを特徴とする。
本発明の光結合装置は、透光性絶縁材料からなり前記半導体基板の一方の主面上において前記発光素子と前記受光素子とを覆い、かつ前記溝を充填する形態とされた導光層を具備することを特徴とする。
本発明の光結合装置は、前記導光層上に形成された第2の反射層を具備することを特徴とする。
本発明の光結合装置の製造方法は、電気的に絶縁された受光素子と発光素子とがそれぞれ受光素子領域と発光素子領域において半導体基板の一方の主面側に形成された光結合装置の製造方法であって、前記受光素子領域において、前記半導体基板中に複数の拡散層を形成することによって受光素子を形成する受光素子形成工程と、前記半導体基板の一方の主面上に半導体層をエピタキシャル成長によって形成した後に、前記発光素子領域以外の領域における前記半導体層を除去し、前記発光素子領域において前記半導体層中に発光素子を形成する発光素子形成工程と、前記半導体基板の他方の主面に絶縁性基板を接合する絶縁性基板接合工程と、前記受光素子と前記発光素子との間に、前記一方の主面側から前記他方の主面側まで前記半導体基板を貫通する溝を形成する溝形成工程と、を具備することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The optical coupling device of the present invention is an optical coupling device in which an electrically isolated light receiving element and a light emitting element are formed in a light receiving element region and a light emitting element region in a semiconductor substrate, respectively, A light-receiving element formed by a diffusion layer in a semiconductor substrate, and a semiconductor formed on one main surface of the semiconductor substrate in the light-emitting element region different from the light-receiving element region on one main surface of the semiconductor substrate Between the light emitting element formed by the layer, the insulating substrate bonded to the other main surface of the semiconductor substrate, and the light emitting element and the light receiving element, from the one main surface side to the other main surface And a groove penetrating the semiconductor substrate to the side.
The optical coupling device of the present invention is characterized in that a first reflective layer is formed on the light emitting element.
In the optical coupling device of the present invention, the semiconductor substrate is a conductive silicon single crystal, the light receiving element has a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate, a base diffusion layer formed in the semiconductor substrate, and the semiconductor An emitter diffusion layer having the same conductivity type as that of the substrate and formed in the base diffusion layer, wherein the semiconductor substrate operates as a collector diffusion layer.
In the optical coupling device of the present invention, the semiconductor layer is made of a compound semiconductor material containing at least one of N, As, P, or O as a constituent element and having a forbidden band width larger than that of the semiconductor substrate. It includes an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer made of a material.
The optical coupling device of the present invention is characterized in that the groove is filled with an insulating material.
The optical coupling device of the present invention includes a light guide layer made of a light-transmitting insulating material and covering the light emitting element and the light receiving element on one main surface of the semiconductor substrate.
The optical coupling device of the present invention includes a light guide layer made of a light-transmitting insulating material and covering the light emitting element and the light receiving element on one main surface of the semiconductor substrate and filling the groove. It is characterized by comprising.
The optical coupling device of the present invention includes a second reflective layer formed on the light guide layer.
The method for manufacturing an optical coupling device according to the present invention is an optical coupling device in which an electrically isolated light receiving element and a light emitting element are formed on one main surface side of a semiconductor substrate in the light receiving element region and the light emitting element region, respectively. A method of forming a light receiving element by forming a plurality of diffusion layers in the semiconductor substrate in the light receiving element region, and epitaxially growing the semiconductor layer on one main surface of the semiconductor substrate A light emitting element forming step of removing the semiconductor layer in a region other than the light emitting element region and forming a light emitting element in the semiconductor layer in the light emitting element region; and on the other main surface of the semiconductor substrate. Insulating substrate bonding step for bonding an insulating substrate, and between the light receiving element and the light emitting element, the semiconductor from the one main surface side to the other main surface side Characterized by comprising a groove forming step of forming a groove penetrating the plate, the.

本発明は以上のように構成されているので、1チップ化された光結合装置において、発光光の利用効率を高くすることができる。   Since the present invention is configured as described above, the utilization efficiency of the emitted light can be increased in the one-chip optical coupling device.

本発明の実施の形態に係る光結合装置の上面図(a)及びそのA−A方向における断面図(b)である。It is the top view (a) of the optical coupling device which concerns on embodiment of this invention, and sectional drawing (b) in the AA direction. 本発明の実施の形態に係る光結合装置の製造方法を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the optical coupling device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る光結合装置の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the optical coupling device which concerns on embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態となる光結合装置及びその製造方法につき説明する。この光結合装置は、シリコン(Si)基板を用いて製造され、Si基板上の異なる領域において、受光素子がSi基板中、発光素子がSi基板上にそれぞれ製造され、両者が1チップ化された構成となっている。この際、受光素子(フォトトランジスタ)は、Si基板(半導体基板)中に形成された拡散層によって構成される。発光素子は、Si基板の一方の主面上にエピタキシャル成長によって形成された半導体層(GaN層)で構成され、その主な発光領域となるpn接合部は、Si基板中に形成された受光素子とは異なる高さに形成される。   Hereinafter, an optical coupling device and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described. This optical coupling device is manufactured using a silicon (Si) substrate. In different regions on the Si substrate, the light receiving element is manufactured in the Si substrate, the light emitting element is manufactured on the Si substrate, and both are integrated into one chip. It has a configuration. At this time, the light receiving element (phototransistor) is constituted by a diffusion layer formed in the Si substrate (semiconductor substrate). The light-emitting element is composed of a semiconductor layer (GaN layer) formed by epitaxial growth on one main surface of the Si substrate, and a pn junction serving as a main light-emitting region is formed with a light-receiving element formed in the Si substrate. Are formed at different heights.

図1は、この光結合装置の上面図(a)、及びそのA−A方向の断面図(b)である。この光結合装置1においては、受光素子領域B1中において受光素子10が形成され、発光素子領域B2中におけるSi基板(半導体基板)11の一方の主面(図1(b)中の上側の面)上に発光素子20が形成される。   FIG. 1A is a top view of the optical coupling device and FIG. 1B is a cross-sectional view in the AA direction. In this optical coupling device 1, the light receiving element 10 is formed in the light receiving element region B1, and one main surface (the upper surface in FIG. 1B) of the Si substrate (semiconductor substrate) 11 in the light emitting element region B2. The light emitting element 20 is formed thereon.

Si基板11の他方の主面(図1(b)中の下側の面)には、絶縁性基板40が、絶縁性接着剤41によって接合されている。また、受光素子10と発光素子20とは、Si基板11中に形成された溝50で電気的に分離されている。溝50は、図1(b)中の上下方向にSi基板11を貫通するように形成され、図1(a)中の上下方向に延びた形状とされる。   An insulating substrate 40 is bonded to the other main surface (the lower surface in FIG. 1B) of the Si substrate 11 by an insulating adhesive 41. Further, the light receiving element 10 and the light emitting element 20 are electrically separated by a groove 50 formed in the Si substrate 11. The groove 50 is formed so as to penetrate the Si substrate 11 in the vertical direction in FIG. 1B, and has a shape extending in the vertical direction in FIG.

受光素子10は、コレクタ領域(Si基板11)、ベース領域12、エミッタ領域13からなるフォトトランジスタである。ベース領域12、エミッタ領域13は、Si基板11中に不純物拡散あるいはイオン注入によって形成された拡散層である。この受光素子10において受光効率が最も高いのは、ベース領域12とコレクタ領域(Si基板11)の界面となるベース領域12の下面である。すなわち、この面を受光面と考えることができる。なお、コレクタ領域(Si基板11)、エミッタ領域13上には、これらの領域と電気的接続がなされるように、それぞれ電極31、32が形成されている。   The light receiving element 10 is a phototransistor including a collector region (Si substrate 11), a base region 12, and an emitter region 13. The base region 12 and the emitter region 13 are diffusion layers formed in the Si substrate 11 by impurity diffusion or ion implantation. In the light receiving element 10, the light receiving efficiency is highest on the lower surface of the base region 12 which is an interface between the base region 12 and the collector region (Si substrate 11). That is, this surface can be considered as a light receiving surface. Electrodes 31 and 32 are formed on the collector region (Si substrate 11) and the emitter region 13, respectively, so as to be electrically connected to these regions.

発光素子20は、Si基板11上にエピタキシャル成長によって形成された半導体層で構成された発光ダイオードであり、この半導体層は、n型GaN層(n型半導体層)21、MQW(Multi Quantum Well)層22、p型GaN層(p型半導体層)23からなる。ここで、MQW層22は、例えば特開2006−114813号公報に記載されているように、例えば数nm〜数10nmの厚さのInGaN、GaN薄膜が複数積層された構造をもつ。この構成においては、最も発光効率が高いのはMQW層22である。MQW層22は薄いため、この発光領域は面状であると考えることができる。光は、この発光面から主に図1(b)における上下方向に発せられる。このため、その発光強度は、この発光面の法線方向(上下方向)において高く、その発光面の面内方向(左右方向)において低くなる。   The light emitting element 20 is a light emitting diode composed of a semiconductor layer formed by epitaxial growth on the Si substrate 11, and this semiconductor layer includes an n-type GaN layer (n-type semiconductor layer) 21 and an MQW (Multi Quantum Well) layer. 22 and a p-type GaN layer (p-type semiconductor layer) 23. Here, the MQW layer 22 has a structure in which, for example, a plurality of InGaN and GaN thin films having a thickness of several nanometers to several tens of nanometers are stacked, as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-14813. In this configuration, the MQW layer 22 has the highest luminous efficiency. Since the MQW layer 22 is thin, this light emitting region can be considered to be planar. Light is emitted mainly from the light emitting surface in the vertical direction in FIG. For this reason, the emission intensity is high in the normal direction (vertical direction) of the light emitting surface, and low in the in-plane direction (horizontal direction) of the light emitting surface.

発光素子20(p型GaN層22)上には、第1の反射層24が形成されており、発光素子20から図1(b)中の上側に発せられた光は、第1の反射層24によって反射される。また、p型GaN層23、n型GaN層21との電気的接続をとるために、第1の反射層24、n型GaN層21上には、それぞれ電極33、34が形成されている。発光素子20におけるp型GaN層23及びMQW層22の大きさ、受光素子10におけるベース領域12の大きさは、それぞれ例えば100μm程度である。   A first reflective layer 24 is formed on the light-emitting element 20 (p-type GaN layer 22), and light emitted from the light-emitting element 20 to the upper side in FIG. 1B is the first reflective layer. 24 is reflected. In addition, electrodes 33 and 34 are formed on the first reflective layer 24 and the n-type GaN layer 21 in order to establish electrical connection with the p-type GaN layer 23 and the n-type GaN layer 21. The size of the p-type GaN layer 23 and the MQW layer 22 in the light emitting element 20 and the size of the base region 12 in the light receiving element 10 are each about 100 μm, for example.

以上の構成においては、受光素子10における受光面はSi基板11中に形成され、発光素子20における発光面はSi基板11上に形成された半導体層中に形成されるため、受光面と発光面とは異なる高さとなる。従って、発光面から発せられた光のうち、図1(b)中における上下方向に発せられた光が受光面(受光素子10)に達しやすくなり、受光面に達する光の割合を増大させることができる。すなわち、発光光の利用効率を高めることができる。   In the above configuration, the light receiving surface of the light receiving element 10 is formed in the Si substrate 11, and the light emitting surface of the light emitting element 20 is formed in the semiconductor layer formed on the Si substrate 11. Different height. Therefore, among the light emitted from the light emitting surface, the light emitted in the vertical direction in FIG. 1B is likely to reach the light receiving surface (light receiving element 10), and the proportion of the light reaching the light receiving surface is increased. Can do. That is, the utilization efficiency of emitted light can be increased.

また、受光素子10と発光素子20とを覆う形態で、透光性かつ絶縁性の導光層51を介して第2の反射層52が形成されている。導光層51は、発光素子20から受光素子10までの光のガイド層となる。すなわち、発光素子10から発せられた光は、第1の反射層24、第2の反射層52によって反射され、導光層51中を伝搬して受光素子10(受光面)に達する。すなわち、この構造によっても、発光光の利用効率を高めることができる。   Further, a second reflective layer 52 is formed through a light-transmitting and insulating light guide layer 51 so as to cover the light receiving element 10 and the light emitting element 20. The light guide layer 51 serves as a light guide layer from the light emitting element 20 to the light receiving element 10. That is, light emitted from the light emitting element 10 is reflected by the first reflecting layer 24 and the second reflecting layer 52, propagates through the light guide layer 51, and reaches the light receiving element 10 (light receiving surface). That is, this structure can also increase the utilization efficiency of the emitted light.

なお、上記の構造において、図1(a)に示されるように、電極33上の導光層51の開口、及び電極34はそれぞれ矩形形状となっている。このため、この開口部、及び電極34に対してワイヤボンディングを施すことができ、これらによって発光素子20におけるp型GaN層23、n型GaN層21とそれぞれ電気的接続をとることが可能である。この構成によって、発光素子20を駆動することが可能である。   In the above structure, as shown in FIG. 1A, the opening of the light guide layer 51 on the electrode 33 and the electrode 34 are each rectangular. For this reason, wire bonding can be applied to the opening and the electrode 34, thereby making it possible to establish electrical connection with the p-type GaN layer 23 and the n-type GaN layer 21 in the light emitting element 20. . With this configuration, the light emitting element 20 can be driven.

一方、エミッタ領域13に接続された電極32は、Si基板11上に絶縁層を介し、図1(a)中の下側に向かって延びた形状をなす。図1(a)に示された範囲外において電極32にはワイヤボンディングが施される。コレクタ領域(Si基板11)に接続された電極31についても同様である。これらによって、エミッタ領域13、コレクタ領域(Si基板11)とそれぞれ電気的接続をとることができる。この構成によって、受光素子10を動作させることが可能である。   On the other hand, the electrode 32 connected to the emitter region 13 has a shape extending downward in FIG. 1A via an insulating layer on the Si substrate 11. Wire bonding is applied to the electrode 32 outside the range shown in FIG. The same applies to the electrode 31 connected to the collector region (Si substrate 11). As a result, the emitter region 13 and the collector region (Si substrate 11) can be electrically connected to each other. With this configuration, the light receiving element 10 can be operated.

この際、受光素子10と発光素子20(半導体層)との間には、溝50が形成されており、導光層51と同じ透光性絶縁材料によって溝50の中は充填されている。これによりSi基板11は受光素子10側と発光素子20側で分断され、受光素子10と発光素子20とは電気的に絶縁される。従って、上記の構造を、光結合装置として使用することができる。この光結合装置1における発光光の利用効率は、上記の通り高くなる。   At this time, a groove 50 is formed between the light receiving element 10 and the light emitting element 20 (semiconductor layer), and the groove 50 is filled with the same translucent insulating material as that of the light guide layer 51. Thereby, the Si substrate 11 is divided at the light receiving element 10 side and the light emitting element 20 side, and the light receiving element 10 and the light emitting element 20 are electrically insulated. Therefore, the above structure can be used as an optical coupling device. The utilization efficiency of the emitted light in the optical coupling device 1 is increased as described above.

図2は、この光結合装置1の製造方法を示す工程断面図である。この断面は、図1(b)と同じ箇所の断面である。   FIG. 2 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the optical coupling device 1. This section is the same section as FIG.

まず、図2(a)に示されるように、Si基板(半導体基板)11が準備される。Si基板11は、この中にフォトトランジスタを形成することができ、かつGaN等からなる半導体層をこの上にヘテロエピタキシャル成長させることのできるシリコン単結晶基板である。その面方位は、良質のGaN等がヘテロエピタキシャル成長できるように適宜設定される。また、図中に示されたSi基板11は、受光素子(フォトトランジスタ)におけるコレクタ領域となりうるべくドーピングが施されており、所定の導電型(n型又はp型)をもつ。   First, as shown in FIG. 2A, a Si substrate (semiconductor substrate) 11 is prepared. The Si substrate 11 is a silicon single crystal substrate on which a phototransistor can be formed and a semiconductor layer made of GaN or the like can be heteroepitaxially grown thereon. The plane orientation is appropriately set so that high quality GaN or the like can be heteroepitaxially grown. Further, the Si substrate 11 shown in the drawing is doped as much as possible to be a collector region in the light receiving element (phototransistor), and has a predetermined conductivity type (n-type or p-type).

次に、図2(b)に示されるように、Si基板11の右側の領域(受光素子領域)に、不純物拡散により、コレクタ領域(Si基板11)と反対側の導電型をもつベース領域12、更にその中にコレクタ領域と同じ導電型をもつエミッタ領域13を、順次形成する(受光素子形成工程)。これらの工程は、通常知られるバイポーラトランジスタの製造工程と同様に行われ、例えばシリコン酸化膜をマスクとした選択的不純物拡散によって行うことができる。これにより、Si基板11中に、コレクタ領域、ベース領域12、エミッタ領域13からなるフォトトランジスタが形成される。ここで、光が入射して形成される光電流がベース電流となってこのフォトトランジスタはオンオフ動作をする。このため、このフォトトランジスタにおける実質的な受光部(受光面)は、コレクタ領域(Si基板11)とベース領域12の界面のpn接合となり、これは主にベース領域12の下面となる。   Next, as shown in FIG. 2B, a base region 12 having a conductivity type opposite to the collector region (Si substrate 11) is formed in the region on the right side (light receiving element region) of the Si substrate 11 by impurity diffusion. Further, the emitter region 13 having the same conductivity type as that of the collector region is sequentially formed therein (light receiving element forming step). These processes are performed in the same manner as the manufacturing process of a normally known bipolar transistor, and can be performed, for example, by selective impurity diffusion using a silicon oxide film as a mask. As a result, a phototransistor including a collector region, a base region 12 and an emitter region 13 is formed in the Si substrate 11. Here, the photocurrent formed by the incidence of light becomes a base current, and the phototransistor is turned on and off. Therefore, the substantial light receiving portion (light receiving surface) in this phototransistor is a pn junction at the interface between the collector region (Si substrate 11) and the base region 12, which is mainly the lower surface of the base region 12.

次に、図2(c)に示されるように、図2(b)に示された形態とされたSi基板11の一方の主面(図中上側の面)上に、エピタキシャル成長によって半導体層、すなわちn型GaN層(n型半導体層)21、MQW層22、p型GaN層(p型半導体層)23を順次形成する。この工程は、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、あるいはMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によって行うことができる。n型GaN層21にはドナーとなる不純物が、p型GaN層23にはアクセプタとなる不純物が適宜ドーピングされる。n型GaN層21の厚さは例えば5.0μm、p型GaN層23の厚さは例えば0.2μm程度とすることができる。また、MQW層22は、例えば数nm〜数10nmの厚さのInGaN、GaN薄膜が複数積層された構造をもち、InGaN、GaNの各層はn型GaN層21、p型GaN層23と同様に形成される。なお、このエピタキシャル成長においては、その基板となるSi基板11表面は平坦であるため、良質のn型GaN層21、MQW層22、p型GaN層23を全面で得ることが容易である。   Next, as shown in FIG. 2 (c), a semiconductor layer is formed by epitaxial growth on one main surface (upper surface in the drawing) of the Si substrate 11 in the form shown in FIG. 2 (b). That is, an n-type GaN layer (n-type semiconductor layer) 21, an MQW layer 22, and a p-type GaN layer (p-type semiconductor layer) 23 are sequentially formed. This step can be performed by MBE (Molecular Beam Epitaxy) method or MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method. The n-type GaN layer 21 is appropriately doped with an impurity serving as a donor, and the p-type GaN layer 23 is appropriately doped with an impurity serving as an acceptor. The thickness of the n-type GaN layer 21 can be set to, for example, 5.0 μm, and the thickness of the p-type GaN layer 23 can be set to, for example, about 0.2 μm. The MQW layer 22 has a structure in which a plurality of InGaN and GaN thin films having a thickness of several nm to several tens of nm, for example, are stacked. It is formed. In this epitaxial growth, since the surface of the Si substrate 11 serving as the substrate is flat, it is easy to obtain a high-quality n-type GaN layer 21, MQW layer 22, and p-type GaN layer 23 over the entire surface.

次に、図2(d)に示されるように、n型GaN層21、MQW層22、p型GaN層23をそれぞれ成形し、発光素子20とする(発光素子形成工程)。この工程は、フォトレジストやシリコン酸化膜等をマスクとして形成し、このマスクが形成された領域以外の領域におけるこれらの材料をドライエッチングあるいはウェットエッチングすることによって行われる。また、図示されるように、MQW層22、p型GaN層23は、n型GaN層21よりも更に小さくする。これにより、この成形後の半導体層(n型GaN層21、MQW層22、p型GaN層23)とからなる発光素子20が形成される。なお、GaNの禁制帯幅はSiの禁制帯幅よりも大きいため、この発光素子20が発した光を前記の受光素子10(フォトトランジスタ)が受光することが可能である。   Next, as shown in FIG. 2D, the n-type GaN layer 21, the MQW layer 22, and the p-type GaN layer 23 are respectively formed to form the light emitting element 20 (light emitting element forming step). This step is performed by forming a photoresist, a silicon oxide film or the like as a mask, and dry etching or wet etching these materials in a region other than the region where the mask is formed. Further, as illustrated, the MQW layer 22 and the p-type GaN layer 23 are made smaller than the n-type GaN layer 21. As a result, the light emitting element 20 including the semiconductor layer (the n-type GaN layer 21, the MQW layer 22, and the p-type GaN layer 23) after forming is formed. Since the forbidden band width of GaN is larger than the forbidden band width of Si, the light receiving element 10 (phototransistor) can receive the light emitted from the light emitting element 20.

次に、図2(e)に示されるように、p型GaN層23の表面(上面)に、第1の反射層24を形成する。第1の反射層24は、p型GaN層23とオーミックコンタクトがとれ、かつ発光領域となるMQW層22から発せられた光を反射できる材料で構成される。例えば、Al等の金属材料をこの材料として使用することができる。図2(e)では、第1の反射層24はp型GaN層23の全面にわたり形成されているが、必ずしもその全面にわたり形成されている必要はない。その形成方法としては、全面に上記の金属材料を成膜し、所望の箇所にフォトレジスト等のマスクを形成してからエッチングを行い、所望の箇所以外の金属材料を除去する(エッチング法)、(2)所望の箇所以外にフォトレジスト等のマスクを形成してから全面に上記の金属材料を成膜し、後でマスクを除去することによって所望の箇所以外の金属材料を除去する(リフトオフ法)、のいずれかの方法を用いることができる。   Next, as shown in FIG. 2E, the first reflective layer 24 is formed on the surface (upper surface) of the p-type GaN layer 23. The first reflective layer 24 is made of a material that can make ohmic contact with the p-type GaN layer 23 and can reflect the light emitted from the MQW layer 22 serving as a light emitting region. For example, a metal material such as Al can be used as this material. In FIG. 2E, the first reflective layer 24 is formed over the entire surface of the p-type GaN layer 23, but it is not necessarily formed over the entire surface. As the formation method, the above metal material is formed on the entire surface, a mask such as a photoresist is formed at a desired location, and etching is performed to remove the metal material other than the desired location (etching method). (2) After forming a mask such as a photoresist other than the desired location, the above metal material is deposited on the entire surface, and then the metal material other than the desired location is removed by removing the mask (lift-off method) ) Can be used.

次に、図2(f)に示されるように、Si基板11(コレクタ領域)、エミッタ領域13、第1の反射層24、n型GaN層21の各層に対して、これらと電気的接合あるいはオーミック接合がとれる材料を用いて、電極31〜34がそれぞれ形成される。ここでは単純化して示しているが、実際には、各層に対して電気的接合あるいはオーミック接合がとれる材料は異なるため、その形成は別々に行われる。どの場合においても、その形成方法としては、前記のエッチング法又はリフトオフ法のいずれかの方法を用いることができる。   Next, as shown in FIG. 2 (f), each of the Si substrate 11 (collector region), the emitter region 13, the first reflective layer 24, and the n-type GaN layer 21 is electrically connected to or The electrodes 31 to 34 are formed using materials that can form ohmic junctions. Although simplified here, in reality, materials that can be electrically or ohmic-bonded to each layer are different, so that the formation is performed separately. In any case, as the formation method, any one of the etching method and the lift-off method can be used.

その後、図2(g)に示されるように、Si基板11の裏面(下面)に、絶縁性基板40を絶縁性接着剤41を用いて接合する(絶縁性基板接合工程)。絶縁性基板40には、充分な機械的強度がありかつ絶縁性の高い材料が用いられ、例えばアルミナが用いられる。   Thereafter, as shown in FIG. 2G, the insulating substrate 40 is bonded to the back surface (lower surface) of the Si substrate 11 using an insulating adhesive 41 (insulating substrate bonding step). The insulating substrate 40 is made of a material having sufficient mechanical strength and high insulating properties, such as alumina.

次に、図2(h)に示されるように、図中上側から絶縁性基板40まで達する溝50を、n型GaN層21(発光素子20)とベース領域12(受光素子10)との間に形成する(溝形成工程)。図1(h)は、この溝50が延びる方向に垂直な断面となっている。この工程は、例えばダイシングソー等を用いて行われる。この工程後においては溝50によってSi基板11は図中左右で分断されるが、絶縁性基板40が接合されているために、図2(h)に示された構造を取り扱うことは容易である。   Next, as shown in FIG. 2H, a groove 50 reaching the insulating substrate 40 from the upper side in the drawing is formed between the n-type GaN layer 21 (light emitting element 20) and the base region 12 (light receiving element 10). (Groove forming step). FIG. 1H shows a cross section perpendicular to the direction in which the groove 50 extends. This step is performed using, for example, a dicing saw. After this step, the Si substrate 11 is divided into right and left in the drawing by the groove 50, but since the insulating substrate 40 is bonded, it is easy to handle the structure shown in FIG. .

次に、図2(i)に示されるように、溝50中を埋め込み、かつp型GaN層23、第1の反射層24、電極33等(発光素子20)とベース領域12、エミッタ領域13、電極32等(受光素子10)とを覆う形態で、導光層51を形成する。導光層51の材料としては、透光性でありかつ絶縁性の材料(透光性絶縁材料)であり、かつ溝50を充填することのできる、例えばポリイミド樹脂等を用いることができる。ポリイミド樹脂をこの形態とするためには、例えば、液状のポリイミド樹脂を塗布した後に硬化させ、その後で図2(i)の形態となるべくこれをマスクを用いて選択的にエッチングすればよい。ここで、第1の反射層24上の電極33上には、後でこの箇所にワイヤボンディングが施せるように開口を設けておく。   Next, as shown in FIG. 2 (i), the trench 50 is buried, and the p-type GaN layer 23, the first reflective layer 24, the electrode 33, etc. (light emitting element 20), the base region 12, and the emitter region 13. The light guide layer 51 is formed so as to cover the electrodes 32 and the like (the light receiving element 10). As a material of the light guide layer 51, for example, a polyimide resin or the like which is a light-transmitting and insulating material (light-transmitting insulating material) and can fill the groove 50 can be used. In order to make the polyimide resin into this form, for example, a liquid polyimide resin may be applied and then cured, and then selectively etched using a mask as much as possible in the form of FIG. Here, an opening is provided on the electrode 33 on the first reflective layer 24 so that wire bonding can be performed later at this location.

その後、図2(j)に示されるように、導光層51上に第2の反射層52を形成する。第2の反射層52としては、第1の反射層24と同様に光を反射する材料を用いることができるが、第2の反射層52と半導体とは直接接続されないため、オーミック性は要求されない。第2の反射層52のパターニングは、第1の反射層24と同様に、エッチング法又はリフトオフ法によって行うことができる。   Thereafter, as shown in FIG. 2 (j), a second reflective layer 52 is formed on the light guide layer 51. As the second reflective layer 52, a material that reflects light can be used in the same manner as the first reflective layer 24. However, since the second reflective layer 52 and the semiconductor are not directly connected, ohmic properties are not required. . The patterning of the second reflective layer 52 can be performed by an etching method or a lift-off method, similarly to the first reflective layer 24.

これにより、図1の構成の光結合装置1が製造される。なお、実際にはこの構造がパッケージ内に封入され、電極31、32、34上、あるいは電極33上の第2の反射層52にワイヤボンディングが施され、パッケージにおける各リード端子と接続されるが、その記載は省略している。   Thereby, the optical coupling device 1 having the configuration shown in FIG. 1 is manufactured. In practice, this structure is enclosed in a package, and wire bonding is applied to the second reflective layer 52 on the electrodes 31, 32, 34 or the electrode 33, and connected to each lead terminal in the package. The description is omitted.

この製造方法においては、受光素子10となる複数の拡散層を予めSi基板11中に形成した後に、発光素子20となる半導体層をSi基板11上に形成する。これにより、発光素子20における発光面と受光素子10における受光面とが異なる高さとなる光結合装置1を容易に得ることができる。   In this manufacturing method, after a plurality of diffusion layers to be the light receiving elements 10 are formed in the Si substrate 11 in advance, a semiconductor layer to be the light emitting elements 20 is formed on the Si substrate 11. Thereby, the optical coupling device 1 in which the light emitting surface of the light emitting element 20 and the light receiving surface of the light receiving element 10 have different heights can be easily obtained.

なお、上記の製造工程において、絶縁性基板接合工程(図2(g))は、溝形成工程の前であり、かつそれ以降に行われる他の工程において絶縁性基板40、絶縁性接着剤41が悪影響を与えない限りにおいて、上記と異なる時点で行うことが可能である。例えば、発光素子形成工程における半導体層の成形(図2(d))、第1の反射層形成(図2(e))、電極の形成(図2(f))のいずれかの前に絶縁性基板接合工程を行うことも可能である。その他、図2における各工程の順序は、図1の構造が形成でき、かつ受光素子10と発光素子20の特性が良好に保たれる限りにおいて適宜変更することが可能である。   In the above manufacturing process, the insulating substrate bonding process (FIG. 2G) is performed before the groove forming process and in other processes performed thereafter, the insulating substrate 40 and the insulating adhesive 41. Can be performed at a point different from the above, as long as does not adversely affect. For example, insulation is performed before any of the formation of the semiconductor layer (FIG. 2D), the formation of the first reflective layer (FIG. 2E), and the formation of the electrode (FIG. 2F) in the light emitting element formation step. It is also possible to perform a conductive substrate bonding step. In addition, the order of the steps in FIG. 2 can be appropriately changed as long as the structure of FIG. 1 can be formed and the characteristics of the light receiving element 10 and the light emitting element 20 are kept good.

また、上記の例では、n型GaN層21、MQW層22、p型GaN層23をSi基板11の一方の主面全面にエピタキシャル成長によって形成し(図2(c))、その後でこれらの層を所望の箇所以外で除去する(図2(d))設定とした。しかしながら、これらの層を予めSi基板11上に選択的にエピタキシャル成長させることも可能である。   In the above example, the n-type GaN layer 21, the MQW layer 22, and the p-type GaN layer 23 are formed on the entire main surface of the Si substrate 11 by epitaxial growth (FIG. 2C), and then these layers are formed. Is set to be removed except for a desired portion (FIG. 2D). However, these layers can be selectively epitaxially grown on the Si substrate 11 in advance.

また、前記の例では、発光効率を高めるためにMQW層22をn型GaN層21とp型GaN層23との間に挿入していたが、MQW層22を挿入しない通常のpn接合を利用した発光ダイオードとしてもよい。この場合においても、pn接合面を発光面と考えることができ、やはり発光面が受光面よりも高い場所に形成されるため、上記の効果は同様に得られる。   In the above example, the MQW layer 22 is inserted between the n-type GaN layer 21 and the p-type GaN layer 23 in order to increase the luminous efficiency, but a normal pn junction in which the MQW layer 22 is not inserted is used. A light emitting diode may be used. Also in this case, the pn junction surface can be considered as the light emitting surface, and the light emitting surface is formed at a place higher than the light receiving surface, so that the above effect can be obtained in the same manner.

また、前記の通り、第1の反射層24、導光層51、第2の反射層52によって発光光の利用効率が更に高まるが、これらを用いない場合でも、上記の構成においては、発光面と受光面とが異なる高さに設定されるため、発光光の利用効率を高めることができることは明らかである。また、溝50が形成されていれば、この溝50中に絶縁性材料が充填されていない場合でも、発光素子20と受光素子10とが電気的に絶縁されることも明らかである。これらを用いない場合においては、上記の製造方法をより簡略化できる。   As described above, the first reflective layer 24, the light guide layer 51, and the second reflective layer 52 further increase the use efficiency of the emitted light. Even when these are not used, the light emitting surface is used in the above configuration. It is clear that the efficiency of using the emitted light can be increased because the height of the light receiving surface is different from that of the light receiving surface. It is also clear that if the groove 50 is formed, the light emitting element 20 and the light receiving element 10 are electrically insulated even when the groove 50 is not filled with an insulating material. When these are not used, the above manufacturing method can be further simplified.

上記の導光層51、第2の反射層52等に関して、他の構成を用いることもできる。図3は、この一例の構成を用いた光結合装置101の断面図である。ここでは、溝50中に充填する絶縁性材料と、発光素子20から受光素子10まで光をガイドする透光性絶縁材料とで異なる材料を使用している。なお、ここではMQW層22は使用しておらず、発光素子20は単純なpn接合を利用した発光ダイオードとなっている。   Other configurations may be used for the light guide layer 51, the second reflective layer 52, and the like. FIG. 3 is a cross-sectional view of the optical coupling device 101 using the configuration of this example. Here, different materials are used for the insulating material filled in the groove 50 and the translucent insulating material that guides light from the light emitting element 20 to the light receiving element 10. Here, the MQW layer 22 is not used, and the light emitting element 20 is a light emitting diode using a simple pn junction.

図3において、溝50中には、絶縁性充填層53が形成されている。絶縁性充填層53の材料としては、高い絶縁性をもつ材料でありかつ溝50を充填できる材料が用いられ、例えば前記と同様のポリイミド樹脂を使用することができるが、透光性は不要である。   In FIG. 3, an insulating filling layer 53 is formed in the groove 50. As the material of the insulating filling layer 53, a material having a high insulating property and capable of filling the groove 50 is used. For example, a polyimide resin similar to the above can be used, but translucency is unnecessary. is there.

一方、導光層54としては、絶縁性充填層53の材料ほど充填性は要求されず、その代わりに透光性のより高い材料を用いることができる。こうした材料としては、例えば酸化シリコン、SOG(Spin−On Glass)等がある。   On the other hand, the light guide layer 54 is not required to be filled as much as the material of the insulating filling layer 53, and a material having higher translucency can be used instead. Examples of such a material include silicon oxide and SOG (Spin-On Glass).

すなわち、溝充填層53と導光層54とで異なる材料とすることにより、前者においてはより絶縁性の高い材料を用い、後者においてはより透光性の高い材料を用いることができる。これにより、発光素子20と受光素子10の絶縁性を高め、かつ光の利用効率を更に高めることが可能である。   That is, by using different materials for the groove filling layer 53 and the light guide layer 54, a material with higher insulation can be used in the former, and a material with higher translucency can be used in the latter. As a result, it is possible to increase the insulation between the light emitting element 20 and the light receiving element 10 and further increase the light utilization efficiency.

なお、上記の例では、Si基板11を導電性としてSi基板11自身をコレクタ領域として用いていたが、Si基板をノンドープとし、コレクタ領域をベース領域12等と同様に不純物拡散によって形成してもよい。更に、上記の例では、受光素子20としてフォトトランジスタを用いたが、発光素子が発した光を受光して電気信号に変換できるものであれば、これに限定されない。例えば、pn接合からなるフォトダイオードを用いることも可能である。   In the above example, the Si substrate 11 is conductive and the Si substrate 11 itself is used as the collector region. However, the Si substrate may be non-doped and the collector region may be formed by impurity diffusion in the same manner as the base region 12 and the like. Good. Furthermore, in the above example, a phototransistor is used as the light receiving element 20, but the present invention is not limited to this as long as it can receive light emitted from the light emitting element and convert it into an electrical signal. For example, a photodiode having a pn junction can be used.

また、受光素子、発光素子に接続される各電極の構成は、図1に記載の構成以外にも、これらに電気的接続がとれ、かつ受光素子が発光素子からの発光光を受光できる限りにおいて任意の構成をとることができる。   Further, the configuration of each electrode connected to the light receiving element and the light emitting element is not limited to the configuration shown in FIG. 1 as long as it is electrically connected to the light receiving element and the light receiving element can receive light emitted from the light emitting element. Any configuration can be adopted.

また、上記の例では、Si基板11中に受光素子10を形成し、この上にエピタキシャル成長させた層において発光素子20を形成した。同様の構成は、半導体基板としてSi基板以外を用いた場合でも形成することが可能である。この際、発光素子側の材料の禁制帯幅を、基板となる材料の禁制帯幅以上とすることにより、発光素子が発した光を受光素子が受光することが可能である。また、発光素子側の材料は、基板上にエピタキシャル成長させることのでき、かつ高い発光効率をもつ材料であることが必要である。この一例として、GaAs基板を半導体基板として用い、この中に受光素子としてダイオードを形成し、GaAs基板上にn型GaN層、p型GaN層を順次形成して発光素子(発光ダイオード)を形成することができる。他にこうした条件が満たされる場合として、例えば、半導体基板の材料として前記のSi、GaAsを用いることができる。発光素子の材料としては、GaAsやGaP、InP等のIII−V族化合物半導体や、ZnO等の酸化物半導体のように、N、As、P又はOの少なくとも一つを構成元素として含む化合物半導体材料を用いることができる。ただし、この化合物半導体材料の禁制帯幅を半導体基板の材料の禁制帯幅以上とすることにより、受光素子がこの発光光を受光することが可能となる。こうしたIII−V族化合物半導体としては、III族窒化物半導体としてGaN系の混晶半導体等も用いることができる。なお、上記のGaAsを用いる場合のように、半導体基板と、この上にエピタキシャル成長によって形成された半導体層の材料が同一であってもよい。   In the above example, the light receiving element 10 is formed in the Si substrate 11, and the light emitting element 20 is formed in the layer epitaxially grown thereon. A similar configuration can be formed even when a semiconductor substrate other than the Si substrate is used. At this time, by setting the forbidden band width of the light emitting element side to be equal to or larger than the forbidden band width of the material serving as the substrate, the light receiving element can receive light emitted from the light emitting element. Further, the material on the light emitting element side needs to be a material that can be epitaxially grown on the substrate and has high luminous efficiency. As an example of this, a GaAs substrate is used as a semiconductor substrate, a diode is formed therein as a light receiving element, and an n-type GaN layer and a p-type GaN layer are sequentially formed on the GaAs substrate to form a light emitting element (light emitting diode). be able to. As another case where such a condition is satisfied, for example, the above-described Si or GaAs can be used as the material of the semiconductor substrate. As a material of the light emitting element, a compound semiconductor containing at least one of N, As, P, or O as a constituent element, such as a III-V group compound semiconductor such as GaAs, GaP, or InP, or an oxide semiconductor such as ZnO. Materials can be used. However, by setting the forbidden band width of the compound semiconductor material to be equal to or larger than the forbidden band width of the semiconductor substrate material, the light receiving element can receive the emitted light. As such a III-V compound semiconductor, a GaN-based mixed crystal semiconductor or the like can also be used as a group III nitride semiconductor. As in the case of using GaAs, the semiconductor substrate and the semiconductor layer formed by epitaxial growth on the semiconductor substrate may be the same material.

また、上記の例では、絶縁性基板40を絶縁性接着剤41を用いてSi基板(半導体基板)11に接合したが、受光素子と発光素子との間の絶縁性が溝を形成した後で確保できる限りにおいて、絶縁性基板と半導体基板の接合方法は任意である。例えば、予め絶縁性基板上に形成された半導体基板を用いて上記と同様の光結合装置を製造することも可能である。   Further, in the above example, the insulating substrate 40 is bonded to the Si substrate (semiconductor substrate) 11 using the insulating adhesive 41, but after the insulating property between the light receiving element and the light emitting element forms the groove. As long as it can be ensured, the bonding method of the insulating substrate and the semiconductor substrate is arbitrary. For example, it is possible to manufacture an optical coupling device similar to the above using a semiconductor substrate previously formed on an insulating substrate.

1、101 光結合装置
10 受光素子
11 Si基板(半導体基板)
12 ベース領域
13 エミッタ領域
20 受光素子(半導体層)
21 n型GaN層(n型半導体層)
22 MQW(Multi Quantum Well)層
23 p型GaN層(p型半導体層)
24 第1の反射層
31〜34 電極
40 絶縁性基板
41 絶縁性接着剤
50 溝
51、54 導光層
52 第2の反射層
53 絶縁性充填層
1, 101 Optical coupling device 10 Light receiving element 11 Si substrate (semiconductor substrate)
12 Base region 13 Emitter region 20 Light receiving element (semiconductor layer)
21 n-type GaN layer (n-type semiconductor layer)
22 MQW (Multi Quantum Well) layer 23 p-type GaN layer (p-type semiconductor layer)
24 First reflective layers 31 to 34 Electrode 40 Insulating substrate 41 Insulating adhesive 50 Grooves 51 and 54 Light guide layer 52 Second reflective layer 53 Insulating filling layer

Claims (9)

電気的に絶縁された受光素子と発光素子とがそれぞれ半導体基板における受光素子領域と発光素子領域において形成された光結合装置であって、
前記受光素子領域において、前記半導体基板中の拡散層によって形成された受光素子と、
前記半導体基板の一方の主面上の前記受光素子領域と異なる前記発光素子領域において、前記半導体基板の一方の主面上に形成された半導体層によって形成された発光素子と、
前記半導体基板の他方の主面に接合された絶縁性基板と、
前記発光素子と前記受光素子との間において、前記一方の主面側から前記他方の主面側まで前記半導体基板を貫通する溝と、
を具備することを特徴とする光結合装置。
An optical coupling device in which the electrically isolated light receiving element and the light emitting element are respectively formed in the light receiving element region and the light emitting element region in the semiconductor substrate,
In the light receiving element region, a light receiving element formed by a diffusion layer in the semiconductor substrate;
In the light emitting element region different from the light receiving element region on one main surface of the semiconductor substrate, a light emitting element formed by a semiconductor layer formed on one main surface of the semiconductor substrate;
An insulating substrate bonded to the other main surface of the semiconductor substrate;
Between the light emitting element and the light receiving element, a groove penetrating the semiconductor substrate from the one main surface side to the other main surface side;
An optical coupling device comprising:
前記発光素子上に第1の反射層が形成されたことを特徴とする請求項1に記載の光結合装置。   The optical coupling device according to claim 1, wherein a first reflective layer is formed on the light emitting element. 前記半導体基板は導電性シリコン単結晶であり、
前記受光素子は、
前記半導体基板と逆の導電型をもち前記半導体基板中に形成されたベース拡散層と、
前記半導体基板と同じ導電型をもち前記ベース拡散層中に形成されたエミッタ拡散層と、
を具備し、
前記半導体基板をコレクタ拡散層として動作することを特徴とする、請求項1又は2に記載の光結合装置。
The semiconductor substrate is a conductive silicon single crystal,
The light receiving element is
A base diffusion layer having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate and formed in the semiconductor substrate;
An emitter diffusion layer having the same conductivity type as the semiconductor substrate and formed in the base diffusion layer;
Comprising
The optical coupling device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate operates as a collector diffusion layer.
前記半導体層は、
N、As、P又はOの少なくとも一つを構成元素として含みその禁制帯幅が前記半導体基板よりも大きな化合物半導体材料で構成され、当該化合物半導体材料からなるn型半導体層とp型半導体層とを含むことを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の光結合装置。
The semiconductor layer is
An n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer made of a compound semiconductor material that includes at least one of N, As, P, or O as a constituent element and whose forbidden band width is larger than that of the semiconductor substrate; The optical coupling device according to claim 1, further comprising:
前記溝に絶縁性材料が充填されたことを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の光結合装置。   The optical coupling device according to any one of claims 1 to 4, wherein the groove is filled with an insulating material. 透光性絶縁材料からなり前記半導体基板の一方の主面上において前記発光素子と前記受光素子とを覆う導光層を具備することを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の光結合装置。   6. A light guide layer made of a light-transmitting insulating material and covering the light emitting element and the light receiving element on one main surface of the semiconductor substrate is provided. The optical coupling device according to Item. 透光性絶縁材料からなり前記半導体基板の一方の主面上において前記発光素子と前記受光素子とを覆い、かつ前記溝を充填する形態とされた導光層を具備することを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の光結合装置。   A light guide layer made of a translucent insulating material is provided on one main surface of the semiconductor substrate so as to cover the light emitting element and the light receiving element and fill the groove. The optical coupling device according to any one of claims 1 to 4. 前記導光層上に形成された第2の反射層を具備することを特徴とする請求項6又は7に記載の光結合装置。   The optical coupling device according to claim 6, further comprising a second reflective layer formed on the light guide layer. 電気的に絶縁された受光素子と発光素子とがそれぞれ受光素子領域と発光素子領域において半導体基板の一方の主面側に形成された光結合装置の製造方法であって、
前記受光素子領域において、前記半導体基板中に複数の拡散層を形成することによって受光素子を形成する受光素子形成工程と、
前記半導体基板の一方の主面上に半導体層をエピタキシャル成長によって形成した後に、前記発光素子領域以外の領域における前記半導体層を除去し、前記発光素子領域において前記半導体層中に発光素子を形成する発光素子形成工程と、
前記半導体基板の他方の主面に絶縁性基板を接合する絶縁性基板接合工程と、
前記受光素子と前記発光素子との間に、前記一方の主面側から前記他方の主面側まで前記半導体基板を貫通する溝を形成する溝形成工程と、
を具備することを特徴とする光結合装置の製造方法。
A method of manufacturing an optical coupling device in which an electrically isolated light receiving element and a light emitting element are formed on one main surface side of a semiconductor substrate in the light receiving element region and the light emitting element region, respectively.
A light receiving element forming step of forming a light receiving element by forming a plurality of diffusion layers in the semiconductor substrate in the light receiving element region;
The semiconductor layer is formed on one main surface of the semiconductor substrate by epitaxial growth, and then the semiconductor layer in a region other than the light emitting device region is removed to form a light emitting device in the semiconductor layer in the light emitting device region An element formation process;
An insulating substrate bonding step of bonding an insulating substrate to the other main surface of the semiconductor substrate;
A groove forming step of forming a groove penetrating the semiconductor substrate from the one main surface side to the other main surface side between the light receiving element and the light emitting element;
An optical coupling device manufacturing method comprising:
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